Einkristall-Turbinenschaufeln: Ein technologischer Durchbruch, der die Hochtemperaturschranken überwindet

1 Entwicklung von Gas Turbinen für die Luftfahrt

Da die Leistungsanforderungen an Flugzeuge für den Transport, die Militärinteressen, die Produktion und andere Zwecke stiegen, konnten die ersten Kolbenmotoren den Anforderungen des Hochgeschwindigkeitsflugs nicht mehr gerecht werden. Deshalb haben sich seit den 1950er Jahren Gas Turbinen allmählich durchgesetzt.

Im Jahr 1928 wies Sir Frank Whittle aus dem Vereinigten Königreich in seiner Abschlussarbeit „Zukünftige Entwicklungen im Flugzeugdesign“ während seines Studiums an der Militärakademie darauf hin, dass unter dem damaligen technischen Wissen die zukünftige Entwicklung von Propellerantrieben den Anforderungen für hohe Flughöhen oder Fluggeschwindigkeiten über 800 km/h nicht gerecht werden könne. Er präsentierte erstmals das Konzept dessen, was heute als Strahltriebwerk (Motorrad) bekannt ist: Komprimierte Luft wird über einen traditionellen Kolben in die Brennkammer (Verbrennung) geleitet, und die dabei entstehenden Hochtemperaturgase werden direkt zur Fortbewegung genutzt, was man sich als ein Propellertriebwerk mit einer zusätzlichen Brennkammer vorstellen kann. In nachfolgenden Forschungen verwarf er die Idee eines schweren und ineffizienten Kolbens und schlug stattdessen vor, eine Turbine (Turbine) zu verwenden, um komprimierte Luft in die Brennkammer zu leiten, wobei die Energie der Turbine aus den heißen Abgasen gewonnen wurde. Im Jahr 1930 beantragte Whittle ein Patent, und 1937 entwickelte er das weltweit erste Zentrifugalstrahltriebwerk, das 1941 offiziell im Gloster E.28/39-Flugzeug eingesetzt wurde. Seitdem dominieren Gasturbinenantriebe die Luftfahrtkraftwerke und sind ein wichtiges Symbol für das wissenschaftliche und technologische Industrielevel sowie die gesamte nationale Stärke eines Landes.

Flugzeugtriebwerke können je nach ihrer Verwendung und ihren strukturellen Merkmalen in vier grundlegende Typen unterteilt werden: Strahltriebwerke, Doppelstrahlanlagen, Turboschachtanlagen und Turbopropelleranlagen:

Luftfahrt-Gasturbinen werden als Strahltriebwerke bezeichnet, die die ersten verwendeten Gasturbinen sind. Aus der Perspektive der Art, wie Schub erzeugt wird, sind Strahltriebwerke die einfachsten und direktesten Motoren. Die Erklärung basiert auf der Reaktionskraft, die durch die Hochgeschwindigkeits-Einspritzung des Wirbels entsteht. Allerdings führt der hochgeschwindige Luftstrom dazu, dass viel Wärme und kinetische Energie abgeführt wird, was zu erheblichen Energieverlusten führt.

Das Doppelstrahltriebwerk teilt den in das Triebwerk einströmenden Luftstrom in zwei Pfade auf: den inneren Rohrleiter und den äußeren Rohrleiter, was den Gesamtluftdurchsatz erhöht und die Abgas-Temperatur und -Geschwindigkeit des inneren Rohrleiter-Luftstroms reduziert.

Turboschacht- und Turboprop-Antriebe erzeugen keinen Schub durch Luftstrominjektion, daher wird die Abgastemperatur und -geschwindigkeit erheblich reduziert, die thermische Effizienz ist relativ hoch und der Kraftstoffverbrauch des Motors ist gering, was für Langstreckenflugzeuge geeignet ist. Die Drehzahl des Propellers ändert sich im Allgemeinen nicht, und unterschiedliche Schübe werden durch Einstellung des Profilwinkels erreicht.

Der Propfan-Motor ist ein Motor zwischen Turboprop- und Turbofan-Motoren. Er kann in Propfan-Motoren mit Rohrgondeln und Propfan-Motoren ohne Rohrgondeln unterteilt werden. Der Propfan-Motor ist der wettbewerbsfähigste neue energieeffiziente Motor, der für subsonisches Fliegen geeignet ist.

Bürgerliche Luftfahrtantriebe haben mehr als halb ein Jahrhundert Entwicklung hinter sich. Die Struktur des Antriebs hat sich von den frühen Zentrifugalturbinenanlagen zu den Ein-Rotor-Axialströmungsanlagen, von den Zwei-Rotor-Turbojet-Anlagen zu den Turbofan-Anlagen mit niedrigem Umfluterverhältnis und schließlich zu den Turbofan-Anlagen mit hohem Umfluterverhältnis entwickelt. Die Struktur wurde kontinuierlich optimiert, um Effizienz und Zuverlässigkeit zu verfolgen. Die Turbineingangstemperatur betrug in der ersten Generation der Turbojet-Anlagen in den 1940er- und 1950er Jahren nur 1200-1300K. Sie stieg bei jedem Flugzeugupgrade um etwa 200K. Bis in die 1980er Jahre erreichte die Turbineingangstemperatur der vierten Generation fortschrittlicher Kampfflugzeuge 1800-2000K[1].

Das Prinzip des Zentrifugal-Luftkompressors besteht darin, dass die Turbine den Gasstrom zu hoher Geschwindigkeit antreibt, sodass das Gas eine Zentrifugalkraft erzeugt. Aufgrund der Expansionsdruckströmung des Gases in der Turbine wird die Strömungsrate und der Druck des Gases nach dem Durchgang durch die Turbine erhöht, wodurch kontinuierlich komprimierte Luft produziert wird. Es hat eine kurze axiale Ausdehnung und ein hohes Einzugsverhältnis pro Stufe. Der axialströmende Luftkompressor ist ein Kompressor, bei dem der Luftstrom im Wesentlichen parallel zur Achse der rotierenden Turbine fließt. Der axialströmende Kompressor besteht aus mehreren Stufen, jede Stufe enthält eine Reihe von Rotorblättern und eine nachfolgende Reihe von Statorblättern. Der Rotor sind die Arbeitsblätter und die Nabe, und der Stator ist der Leitapparat. Die Luft wird zuerst durch die Rotorblätter beschleunigt, in den Kanälen der Statorblätter abgebremst und komprimiert, und dieses Vorgehen wird in den mehrstufigen Blättern wiederholt, bis das Gesamtdruckverhältnis das erforderliche Niveau erreicht. Der axialströmende Kompressor hat einen kleinen Durchmesser, was es bequem macht, ihn in mehreren Stufen zu verbinden, um ein höheres Druckverhältnis zu erreichen.   

Turbofan-Antriebe verwenden gewöhnlich den Umflussverhältnis, den Druckverhältnis des Motors, die Turbineneingangstemperatur und das Ventildruckverhältnis als Design-Parameter:

Umflussverhältnis (BPR): Das Verhältnis der Masse des Gases, das durch die Außenschächte fließt, zur Masse des Gases, das durch die Innerschächte im Motor fließt. Der Rotor am vorderen Ende eines Turbojet-Motors wird normalerweise als Niederdruckverdichter bezeichnet, während der Rotor am vorderen Ende eines Turbofan-Motors normalerweise als Fan bezeichnet wird. Das verdruckte Gas, das durch den Niederdruckverdichter geht, durchläuft alle Teile des Turbojet-Motors; das Gas, das durch den Fan geht, wird in Innenschacht und Außenschacht aufgeteilt. Seit der Einführung von Turbofan-Motoren hat sich das BPR stetig erhöht, und dieser Trend ist insbesondere bei zivilen Turbofan-Motoren deutlich sichtbar.

Druckverhältnis des Motors (EPR): Das Verhältnis des Gesamtdrucks am Düsenaustritt zum Gesamtdruck am Verdichtereingang.

Turbine-Einlass-Temperatur: Die Temperatur des Abgases aus der Verbrennungskammer, wenn es die Turbine betritt.

Verdichtungsverhältnis des Lüfters: Auch als Verdichtungsverhältnis bezeichnet, das Verhältnis des Gasdrucks am Ausgang des Verdichters zum Gasdruck am Einlass.

Zwei Effizienzen:

Thermische Effizienz: Eine Maßeinheit dafür, wie effizient ein Motor die durch Verbrennung entstehende Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt.

Antriebs-effizienz: Eine Maßeinheit für den Anteil der von dem Motor erzeugten mechanischen Energie, die zur Fortbewegung des Flugzeugs genutzt wird.

2 Entwicklung der Turbinenschaufeln

Iterative Entwicklung

Wenn man ein Turbomotor-System als Beispiel nimmt, entspricht der Wert der Schaufeln bis zu 35 %, und sie sind ein kritischer Bestandteil bei der Herstellung von Flugzeugmotoren. In einem Motor gibt es 3.000 bis 4.000 Luftfahrtblätter, die in drei Kategorien unterteilt werden können: Propellerblätter, Verdichterblätter und Turbinenblätter. Der Wert der Turbinenblätter ist am höchsten, mit 63 %. Gleichzeitig sind sie auch die schwierigsten und teuersten Blätter bei der Fertigung von Turbofansystemen [2].

In den 1970er Jahren war die USA das erste Land, das richtungssolidifizierte Blätter vom Typ PWA1422 in militärischen und zivilen Flugzeugmotoren einsetzte.

In den 1980er Jahren stieg das Schub-Gewichts-Verhältnis des dritten Generationsantriebs auf über 8, und die Turbinenschaufeln begannen, das erste Generation SX, PWA1480, RenéN4, CMSX-2 und Chinas DD3 zu verwenden. Ihre Temperaturbelastbarkeit ist um 80K höher als die des besten richtungssolidifizierten Gußelegiers hochtemperaturlegierungsantrages PWA1422. Vorteile. In Kombination mit der Filmkühltechnologie für einleitende Hohlräume erreicht die Betriebstemperatur der Turbinenschaufeln 1600-1750K.

Der vierte-Generation-Turbofan-Antrieb verwendet die zweite-Generation-SX PWA1484, RenéN5, CMSX-4 und DD6. Durch Zuschlag von Re-Elementen und mehrkanalige Hochdruck-Luftkühlungstechnologie erreicht die Betriebstemperatur der Turbinenschaufeln 1800K-2000K. Bei 2000K und 100h beträgt die Dauerfestigkeit 140MPa.

Die dritte Generation von SX, die nach den 1990er Jahren entwickelt wurde, umfasst RenéN6, CMRX-10 und DD9, welche deutliche Vorteile in Bezug auf Kriechfestigkeit gegenüber der zweiten Generation von SX aufweisen. Unter dem Schutz komplexer Kühlkanäle und thermischer Barrikadenbeschichtungen erreicht die Turbinen-Einlass-Temperatur, die sie aushalten kann, 3000K. Das intermetallische Legierungsmaterial, das in den Schaufeln verwendet wird, erreicht 2200K, und die 100-Stunden-Dauerfestigkeit erreicht 100MPa.

Derzeit in Entwicklung befinden sich die vierte Generation von SX, vertreten durch MC-NG[4], TMS-138 usw., und die fünfte Generation von SX, vertreten durch TMS-162 usw. Ihre Zusammensetzung zeichnet sich durch die Zugabe neuer seltener Erden wie Ru und Pt aus, was die Hochtemperatur-Kriechleistung von SX erheblich verbessert. Die Betriebstemperatur der fünften Generation von Hochtemperaturlegierungen hat 1150°C erreicht, was nahe am theoretischen Grenzbetriebstemperatur von 1226°C liegt.

3 Entwicklung nikelbasierter Einkristall-Superallegierungen

3.1 Zusammensetzungsmerkmale und Phasenzusammensetzung von nikelbasierten Einkristall-Superallegierungen

Je nach Art der Matrixelemente können Hochtemperaturlegierungen in eisenbasierte, nikelbasierte und kobaltbasierte unterteilt werden und weiter in Guss-, Schmiede- und Pulvermetallurgiemakrostrukturen gegliedert werden. Nickelbasierte Legierungen weisen eine bessere Hochtemperaturleistung auf als die beiden anderen Arten von Hochtemperaturlegierungen und können über einen langen Zeitraum in anspruchsvollen Hochtemperaturumgebungen arbeiten.

Nickelbasierte Hochtemperaturlegierungen enthalten mindestens 50 % Ni. Ihre FCC-Struktur macht sie hoch kompatibel mit einigen Legierungselementen. Die Anzahl der während des Entwurfsprozesses hinzugefügten Legierungselemente überschreitet oft 10. Die Gemeinsamkeit der hinzugefügten Legierungselemente wird wie folgt klassifiziert: (1) Ni, Co, Fe, Cr, Ru, Re, Mo und W sind Erstklasselemente, die als Austenit-stabilisierende Elemente dienen; (2) Al, Ti, Ta und Nb haben größere Atomradien, die zur Bildung von Verfestigungsphasen wie dem Verbund Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) beitragen und sind Zweitklasselemente; (3) B, C und Zr sind Drittklasselemente. Ihre Atomgröße ist viel kleiner als die von Ni-Atomen, und sie segregieren leicht an die Kornränder der γ-Phase, wobei sie eine Rolle bei der Kornrandverfestigung spielen [14].

Die Phasen nickelbasierter Einkristall-Hochtemperaturlegierungen sind hauptsächlich: γ-Phase, γ'-Phase, Carbidge-Phase und topologisch dicht gepackte Phase (TCP-Phase).

γ-Phase: Die γ-Phase ist eine Austenitphase mit einer kristallinen Struktur von FCC, die sich als Festlösung aus Elementen wie Cr, Mo, Co, W und Re in Nickel bildet.

γ'-Phase: Die γ'-Phase ist ein Ni3(Al, Ti)-Intermetallverbindung von FCC, die als Ausfällungsphase entsteht und eine bestimmte Kohärenz und Misspassung mit der Matrixphase aufweist und reich an Al, Ti, Ta und anderen Elementen ist.

Carbidphase: Ab der zweiten Generation von nickelbasiertem SX wird eine geringe Menge an C hinzugefügt, wodurch Carbidphasen auftreten. Eine geringe Menge an Carbid ist in der Matrix verteilt, was die Hochtemperaturleistung des Legierungs zu einem gewissen Grad verbessert. Sie wird im Allgemeinen in drei Typen unterteilt: MC, M23C6 und M6C.

TCP-Phase: Im Falle des Alterns werden übermäßige feuerfeste Elemente wie Cr, Mo, W und Re gefördert, was die Ausbildung der TCP-Phase begünstigt. TCP bildet sich normalerweise in Form von Platten. Die Plattenstruktur hat einen negativen Einfluss auf die Zugfolge, Kriechfestigkeit und Müdungsstabilität. Die TCP-Phase ist eine der Quellen für Kriechbrüche.

Verfestigungsmechanismus

Die Stärke nikelbasierter Superalleges stammt aus der Kombination mehrerer Verfestigungsmechanismen, einschließlich Festlöstverfestigung, Niederschlagsverfestigung und thermischer Behandlung zur Erhöhung der Versetzungsdichte und Entwicklung eines Versetzungsunterstrukturen zur Verstärkung.

Festlöstverfestigung erfolgt durch das Hinzufügen verschiedener löslicher Elemente, darunter Cr, W, Co, Mo, Re und Ru.

Die unterschiedlichen Atomradien führen zu einer gewissen Grade an Atomgitterverformung, was die Bewegung von Versetzungen hemmt. Die Festlöstverfestigung nimmt mit zunehmendem Unterschied in der Atomgröße zu.

Die Festlösungsverfestigung hat auch die Wirkung, die Schichtfehlerenergie (SFE) zu reduzieren, wodurch hauptsächlich die Querschlüpferung von Disklocationen unterbunden wird, was der Hauptdeformationsmechanismus von nicht-idealen Kristallen bei hohen Temperaturen ist.

Atomare Cluster oder Mikrostrukturen mit kurzer Reichweite sind ein weiterer Mechanismus, der zur Verfestigung durch Festlösung beiträgt. Re-Atome in SX sammeln sich in der Zugspannungsregion des Disklocationskerns an der γ/γ'-Grenze, wobei eine "Cottrell-Atmosphäre" gebildet wird, die die Bewegung von Disklocationen und das Rissfortschreiten wirksam verhindert. (Lösestoffatome konzentrieren sich in der Zugspannungszone der Kantenfehlstellen, verringern so die Gitterverformung, bilden eine Coriolis-Gasstruktur und erzeugen einen starken Festlösungsverfestigungseffekt. Dieser Effekt nimmt mit dem Anstieg der Lösestoffatomkonzentration und dem Anstieg der Größenunterschiede zu.)

Re, W, Mo, Ru, Cr und Co verstärken die γ-Phase effektiv. Die Festlöstungsverstärkung der γ-Matrix spielt eine äußerst wichtige Rolle bei der Kriechfestigkeit von nickelbasierten Hochtemperaturlegierungen.

Der Niederschlagsverfestigungseffekt wird von dem Volumenanteil und der Größe der γ'-Phase beeinflusst. Das Ziel der Zusammensetzungsoptimierung von Hochtemperaturlegierungen besteht hauptsächlich darin, den Volumenanteil der γ'-Phase zu erhöhen und die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. SX-Hochtemperaturlegierungen können einen Anteil von 65%-75% an der γ'-Phase aufweisen, was zu einer guten Kriechfestigkeit führt. Dies stellt den nützlichen Maximalwert des Verfestigungseffekts der γ/γ'-Schnittstelle dar, und eine weitere Erhöhung würde zu einem erheblichen Rückgang der Festigkeit führen. Die Kriechfestigkeit von Hochtemperaturlegierungen mit hohem Volumenanteil an γ'-Phase wird von der Größe der γ'-Partikel beeinflusst. Wenn die γ'-Phase klein ist, neigen Versetzungen dazu, um sie herum zu kriechen, was zur Verringerung der Kriechfestigkeit führt. Wenn Versetzungen gezwungen sind, die γ'-Phase zu durchtrennen, erreicht die Kriechfestigkeit ihren Höchstwert. Mit zunehmender Größe der γ'-Partikel neigen Versetzungen dazu, sich zwischen ihnen zu biegen, was ebenfalls zur Verringerung der Kriechfestigkeit führt [14].

Es gibt drei Hauptmechanismen der Niederschlagsverfestigung:

Gittermissverträglichkeitsverstärkung: Die γ’-Phase ist in der γ-Phasenmatrix kohärent dispergiert und precipitiert. Beide haben FCC-Strukturen. Die Gittermissverträglichkeit spiegelt die Stabilität und den Spannungszustand der kohärenten Grenzfläche zwischen den beiden Phasen wider. Der beste Fall ist, dass Matrix und precipitierte Phase dieselbe Kristallstruktur und Gitterparameter derselben Geometrie aufweisen, sodass mehr precipitierte Phasen in die γ-Phase eingebaut werden können. Das Missverträglichkeitsintervall von nickelbasierten Hochtemperaturlegierungen beträgt 0~±1%. Re und Ru sind offensichtlich mit der γ-Phase segmentiert. Die Erhöhung von Re und Ru erhöht die Gittermissverträglichkeit.

Ordnungsverstärkung: Versetzungsabschneiden verursacht Unordnung zwischen der Matrix und der precipitierten Phase, wofür mehr Energie benötigt wird.

Mechanismus der Verwerfungsumgehung: Der Orowan-Mechanismus (Orowan-Bogen), ist ein Verfestigungsmechanismus, bei dem die in der Metallmatrix präzipitierte Phase die Fortbewegung der Verwerfung behindert. Grundprinzip: Wenn die sich bewegende Verwerfung auf ein Teilchen trifft, kann sie nicht durch ihn hindurchgehen, was zu einem Umgehungsverhalten führt, bei dem die Verwerflänge zunimmt und die benötigte Treibkraft steigt, was einen Verfestigungseffekt zur Folge hat.

3.3 Entwicklung von Giehverfahren für Hochtemperaturlegierungen

Das früheste Legierungsmaterial, das in Hochtemperaturumgebungen eingesetzt wurde, lässt sich auf die Erfindung von Nichrome im Jahr 1906 zurückverfolgen. Der Aufstieg von Turbokompressoren und Gasturbinen-Antrieben förderte die erhebliche Entwicklung von Hochtemperaturlegierungen. Die Schaufeln der ersten Generation von Gasturbinenanlagen wurden durch Extrusion und Schmieden hergestellt, was offensichtlich die Einschränkungen der damaligen Zeit aufwies. Heutzutage werden Hochtemperaturlegierungs-Turbineschaufeln hauptsächlich durch Gussverfahren hergestellt, spezifisch durch richtungsspezifische Erstarrung (DS). Die DS-Methode wurde Anfang der 1970er Jahre vom Team von Versnyder bei Pratt & Whitney in den USA entwickelt [3]. In den Jahrzehnten ihrer Entwicklung hat sich das bevorzugte Material für Turbineschaufeln von gleichmäßigen Kristallen zu säulenförmigen Kristallen gewandelt und wurde schließlich auf Einzelschwing kristalline Hochtemperaturlegierungen optimiert.

Die DS-Technologie wird verwendet, um säulenförmige Kernlegierungen für SX-Komponenten herzustellen, was die Zugfestigkeit und thermische SchOCKwiderstandsfähigkeit von Hochtemperaturlegierungen erheblich verbessert. Die DS-Technologie stellt sicher, dass die entstehenden Säulenkrystalle eine [001]-Orientierung aufweisen, die parallel zur Hauptspannungsachse des Teils liegt, anstatt eine zufällige Kristallorientierung aufzuweisen. Im Prinzip muss DS sicherstellen, dass die Erstarrung des Metalls in der Gußform stets in einem gerade erstarrten Zustand erfolgt.

Das Gießen von Säulenkrystallen muss zwei Bedingungen erfüllen: (1) Eine einseitige Wärmeabfuhr stellt sicher, dass die fest-flüssige Grenzschicht am Wachstumsunkt der Körner sich in eine Richtung bewegt; (2) Es darf keine Keimbildung in der Bewegungsrichtung der fest-flüssigen Grenzschicht vorkommen.

Da der Bruch der Klinge normalerweise in der hohen Temperatur schwachen Struktur des Grain Boundary auftritt, wird während des gerichteten Erstarrungsprozesses eine Erstarrungsgestalt mit einer "Grain Selector"-Struktur verwendet, um das Grain Boundary zu eliminieren. Die Querschnittsgröße dieser Struktur entspricht ungefähr der Korngröße, sodass nur ein einzelnes optimal gewachsenes Korn in die Formhöhle der Gußform eingeht und dann weiter im Einzelkristallzustand wächst, bis die gesamte Klinge aus einem einzigen Korn besteht.

Der Kristallselector kann in zwei Teile unterteilt werden: den Startblock und die Spirale:

Am Anfang des DS-Prozesses beginnen die Körner am Boden des Startblocks zu nucleieren. In der frühen Phase des Kornwachstums ist ihre Anzahl groß, die Größe klein und die Orientierungsdifferenz groß. Das wettbewerbsorientierte Wachstumsverhalten zwischen den Körnern dominiert, während der geometrische Blockeffekt der Seitenwand schwach ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der Effekt der Orientierungsoptimierung offensichtlich; wenn die Höhe der Körner im Startblock zunimmt, verringert sich deren Anzahl, die Größe nimmt zu und die Orientierung rückt näher zusammen. Das wettbewerbsorientierte Wachstumsverhalten zwischen den Körnern nimmt ab, während der geometrische Blockeffekt der Seitenwand dominierend wird, was sicherstellt, dass die Kristallrichtung kontinuierlich optimiert werden kann, jedoch wird der Effekt der Orientierungsoptimierung geschwächt. Durch Reduzierung des Radius des Startblocks und Erhöhung der Höhe des Startblocks kann die Orientierung der Körner, die in den Spiralbereich eintreten, effektiv optimiert werden. Eine Verlängerung des Startblocks verkürzt jedoch den effektiven Wachstumsraum der Guße und führt zu einem längeren Produktionszyklus und höheren Vorbereitungs kosten. Daher ist es notwendig, die geometrische Struktur des Substrats vernünftig zu gestalten.

Die Hauptfunktion der Spirale besteht darin, effizient einzelne Kristalle auszuwählen, und die Fähigkeit, die Kornausrichtung zu optimieren, ist schwach. Wenn der DS-Prozess in einer Spirale durchgeführt wird, bietet der gekrümmte Kanal Raum für das Wachstum der Dendritenäste, und die sekundären Dendriten der Körner bewegen sich in Richtung der Flüssiggrenze. Die Körner haben eine starke laterale Entwicklungstendenz, und die Ausrichtung der Körner befindet sich in einem schwankenden Zustand, mit einem schwachen Optimierungseffekt. Daher hängt die Auswahl der Körner in der Spirale hauptsächlich von den geometrischen Einschränkungen, dem Wettbewerbswachstums-Vorteil und dem räumlichen Erweiterungs-Vorteil der Körner im Spiralabschnitt [7] ab, anstatt vom Wachstums-Vorteil der bevorzugten Ausrichtung der Körner, was eine starke Zufälligkeit aufweist [6]. Daher ist der Hauptgrund für das Versagen der Kristallauswahl, dass die Spirale keine Rolle bei der Auswahl von Einzeldristallen spielt. Durch Erhöhung des Außendurchmessers der Spirale, Reduzierung des Schritts, des Durchmessers der Spiraloberfläche und Reduzierung des Startwinkels kann die Kristallauswahl deutlich verbessert werden.

Die Herstellung von hohlen Einkristall-Turbinenschaufeln erfordert mehr als ein Dutzend Schritte (Legierungsschmelze, Vorbereitung der Einkristall-Schicht, Herstellung von keramischen Kernen mit komplexer Struktur, Guss, richtungsabhängige Verfestigung, Wärmebehandlung, Oberflächenbearbeitung, Vorbereitung der thermischen Barrierebeschichtung usw.). Der komplexe Prozess ist anfällig für verschiedene Fehler, wie Fremdkristalle, Flecken, kleine Winkelkornränder, Streifenkristalle, Ausrichtungsabweichungen, Rekristallisation, große Winkelkornränder und Fehlschläge bei der Kristallauswahl.